摘要:本文设计了一种应用了北斗一代卫星收发机的射频前端,它主要完成三方面功能:一是接收单元对天线和低噪声放大器的卫星信号进行放大、滤波和下变频处理,以产生满足后续AD转化单元输入要求的中频信号;二是时钟单元提供一个稳定的时钟信号,以供后续信息处理单元使用;三是发射单元完成基带信号对载波的调制,将其变为通带信号。
关键词:射频前端,接收单元,时钟单元,发射单元
1 引言
卫星导航近年来得到飞速的发展,广泛应用于军事和国民经济及社会生活各个方面。现在存在GPS、伽利略、GLONASS、北斗四大全球卫星导航系统,卫星导航已经成为一个巨大的产业。低噪声放大器和下变频混频器是射频接收机中位于最前端的模块,在整个系统中混频器承担着频率转换的重任,其线性度、转换增益、噪声、本振抑制等都是其重要的指标,所以其性能的优劣直接影响到接收机的整体性能。
2 收发机的结构分析
2.1 发射机的结构分析
发射机完成的主要功能是调制、上变频、功率放大和滤波。发射机的方案比较简单,大致可以分为两种:一是将调制和上变频合二为一,在一个电路里完成,
这称为直接变换法【1】。第二种先在较低的中频上进行调制,然后将已调信号上变频搬移到发射的载频上,这称为两步法【1】。这两种方法的优缺点以在文献【1】中描述,这里不在进行重复叙述。
2.2 接收机的结构分析
现在采用的接收机结构主要有四大种类,分别是超外差式接收机、镜像抑制接收机、零中频接收机和数字中频接收机。这四种结构各有利弊,在文献【2】、【3】、【4】和【5】中都有比较说明。
3 收发机射频前端设计方案的确定
3.1 射频前端的主要性能指标
·输出中频信号:12.24 MHz±4.08MHz/5dBm±1.5dB(50欧姆阻抗);
·接收单元变频增益:≥75dB
·输出时钟信号:
97.92MHz/12dBm±1dB(50欧姆阻抗);
·输出发射信号幅度:7dBm±1.5dB(50欧姆阻抗);
·BPSK调制本振抑制度/相位误差:≥30dB/≤3°。
3.2 发射单元电路设计
在本设计中发射单元采用直接变换法,但为了改善经功率放大或发射后的强信号会泄漏或发射回来影响本振,牵引本振频率,一是将功率放大器的及其开关远离本振单元;二是选择反向隔离度较高的放大器。本设计方案中发射单元的工作流程为:由频率合成器产生的载波信号,经两级放大后,将调制信号调制到载波频率上,经过滤波和放大后,送给后续功放单元,由功放单元通过发射天线振子发送出去。
发射单元选用的主要芯片有:频率合成器选择Silicon公司的Si4133,它可以提供2路稳定的本振信号,其相位噪声可低至-132dBc/Hz。调制器选择RFMD公司的RF2422,实现BPSK调制功能,参数为:调制相位误差不超过3°,载波抑制不小于30dB。电平转换器选择TI公司的SN74LVC1G14,把3.3V的TDM信号转换为5V的电平信号供给调制器。
3.3 接收单元设计
本设计方案的接收单元主要完成对北斗一代的下行信号滤波、放大、下变频及解调处理,产生符合要求的中频处理信号。接收单元的功能框图如图2所示。
图2 接收单元功能框图
接收单元选择的主要芯片有:第一级射频放大器选择SIRENZA公司的SGA-1163,其工作频段为DC～6000MHz。第一级混频器:选择HP公司的IAM-81008,其具有8.5dB的转换增益,17dB的噪声系数,1dB压缩点为-6dBm。第二级高中频放大器同样选择SIRENZA公司的SGA-1163。频率合成器:选择Silicon公司的Si4133,它可以提供2路稳定的本振信号,其相位噪声可低至-132dBc/Hz。第二级混频器选择AD公司的AD8347,它具有混频、解调和中频放大三项功能。中频滤波器为五阶LC滤波电路。
4 调试中遇到的问题及解决情况
4.1 本振信号的产生
本设计方案采用两次变频的超外差接收方式,超外差式接收机的最大缺点是组合干扰频率点多,中频信号的选取尤为重要。一般组合干扰设计结构要求混频产物的组合级数大于5级时,将不会对接收灵敏度造成影响。组合干扰的计算公式为:
中频±带宽=(频点±带宽)×m±一本振频率×m±二本振频率×k
在本方案中我们选用的Si4133是一款集成VCO、环路滤波器等电路的频率合成器,它可以提供优于-132dBc/Hz的相位噪声。输出信号的频率,其中为基准源N、R的值由单片机设定,N和R值的选择与本振信号的相位噪声和相位检测时间有关,根据数据手册及对本振信号的要求合理选择N和R值。根据本振频率的不同,其谐振所需的电感量不同,设计中采用集总参数的电感及印制线电感结合的方式进行设计,从而解决了本振信号自激,干扰严重的问题。
4.2 接收灵敏度低
中频滤波电路的指标会影响组件的接收灵敏度。通过对中频滤波电路仿真,最终采用5阶FIR滤波电路,实际调试中选用高Q值的磁环做绕线电感,经过多次仿真和实际调试,解决了中频滤波电路分立元件参数杂散导致的中频滤波电路的指标下降,无法批量生产的问题。
5 结束语
本文给出了北斗一代收发机RF前端的设计方案,实际电路的测试结果与预期结果一致,并已与数字基带电路联试,可以实现实际卫星信号的信息处理,此射频前端现已批量生产,用户反应性能较好。
参考文献
[1] 陈邦媛. 射频通信电路[M]. 北京:电子工业出版社,2002年.
[2]刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法[M].北京:科学出版社,2003
[3]袁建平,罗建军等.卫星导航原理与应用[M].中国宇航出版社.2003
作者简介:
原艳宁(1982-),女,硕士,助理工程师,现主要从事射频/微波电路的设计开发
